JP5897050B2 - 有機薄膜トランジスタ、有機半導体薄膜および有機半導体材料 - Google Patents
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Description
特許文献3では、2個ベンゾ縮環したカルバゾールが記載されているが、特許文献3では同文献に記載の化合物を有機トランジスタに使用した例はなく、記載されている化合物を使用したとしても十分なトランジスタ特性(キャリア移動度が低い)が得られなかった。
さらに、本発明者らは、このような構造のジベンゾカルバゾールを半導体活性層に用いた有機薄膜トランジスタは、繰り返し駆動後の閾値電圧変化も小さいことを見出し、本発明に至った。
上記課題を解決するための具体的な手段である本発明は、以下の構成を有する。
−L−R 一般式(W)
(一般式(W)において、Lは下記一般式(L−1)〜(L−12)のいずれかで表される2価の連結基または2以上の下記一般式(L−1)〜(L−12)のいずれかで表される2価の連結基が結合した2価の連結基を表し、Rは炭素数2以上の置換または無置換のアルキル基、オキシエチレン単位の繰り返し数が2以上のオリゴオキシエチレン基またはケイ素原子数が2以上のオリゴシロキサン基を表す。)
[2] [1]に記載の有機薄膜トランジスタは、R2、R3、R6およびR7のうち少なくとも1つが一般式(W)で表される置換基であることが好ましい。
[3] [1]に記載の有機薄膜トランジスタは、一般式(1)で表される化合物が、下記一般式(2−1)または(2−2)で表される化合物であることが好ましい。
[4] [3]に記載の有機薄膜トランジスタは、一般式(2−1)または(2−2)において、Zは水素原子、炭素数2以下の置換または無置換のアルキル基、炭素数2以下の置換または無置換のアルキニル基、炭素数2以下の置換または無置換のアルケニル基、炭素数2以下の置換または無置換のアシル基、であることが好ましい。
[5] [3]または[4]に記載の有機薄膜トランジスタは、一般式(2−1)または(2−2)において、La、Lb、LcおよびLdが全て一般式(L−1)〜(L−3)、(L−10)、(L−11)もしくは(L−12)のいずれかで表される2価の連結基またはこれらの2価の連結基が2以上結合した2価の連結基であることが好ましい。
[6] [3]または[4]に記載の有機薄膜トランジスタは、一般式(2−1)または(2−2)において、La、Lb、LcおよびLdが全て一般式(L−1)または(L−10)であることが好ましい。
[7] [3]〜[6]のいずれか一項に記載の有機薄膜トランジスタは、一般式(2−1)または(2−2)において、Ra、Rb、RcおよびRdが全て炭素数2以上のアルキル基であることが好ましい。
[8] [3]〜[6]のいずれか一項に記載の有機薄膜トランジスタは、一般式(2−1)または(2−2)において、Ra、Rb、RcおよびRdが全て炭素数3〜12の直鎖アルキル基であることが好ましい。
−L−R 一般式(W)
(一般式(W)において、Lは下記一般式(L−1)〜(L−12)のいずれかで表される2価の連結基または2以上の下記一般式(L−1)〜(L−12)のいずれかで表される2価の連結基が結合した2価の連結基を表し、Rは炭素数2以上の置換または無置換のアルキル基、オキシエチレン単位の繰り返し数が2以上のオリゴオキシエチレン基またはケイ素原子数が2以上のオリゴシロキサン基を表す。)
[10] [9]に記載の化合物は、R2、R3、R6およびR7のうち少なくとも1つが一般式(W)で表される置換基であることが好ましい。
[11] [9]に記載の化合物は、一般式(1)で表される化合物が、下記一般式(2−1)または(2−2)で表される化合物であることが好ましい。
[12] [11]に記載の化合物は、一般式(2−1)または(2−2)において、Zは水素原子、炭素数2以下の置換または無置換のアルキル基、炭素数2以下の置換または無置換のアルキニル基、炭素数2以下の置換または無置換のアルケニル基、炭素数2以下の置換または無置換のアシル基、であることが好ましい。
[13] [11]または[12]に記載の化合物は、一般式(2−1)または(2−2)において、La、Lb、LcおよびLdが全て一般式(L−1)〜(L−3)、(L−10)、(L−11)もしくは(L−12)のいずれかで表される2価の連結基またはこれらの2価の連結基が2以上結合した2価の連結基であることが好ましい。
[14] [11]または[12]に記載の化合物は、一般式(2−1)または(2−2)において、La、Lb、LcおよびLdが全て一般式(L−1)または(L−10)のいずれかで表される2価の連結基であることが好ましい。
[15] [11]〜[14]のいずれか一項に記載の化合物は、一般式(2−1)または(2−2)において、Ra、Rb、RcおよびRdが全て炭素数2以上のアルキル基であることが好ましい。
[16] [11]〜[14]のいずれか一項に記載の化合物は、一般式(2−1)または(2−2)において、Ra、Rb、RcおよびRdが全て炭素数3〜12の直鎖アルキル基であることが好ましい。
[18] [9]〜[16]のいずれか一項に記載の一般式(1)で表される化合物を含有することを特徴とする有機薄膜トランジスタ用材料。
[19] [9]〜[16]のいずれか一項に記載の一般式(1)で表される化合物を含有することを特徴とする非発光性有機半導体デバイス用塗布溶液。
[20] [9]〜[16]のいずれか一項に記載の一般式(1)で表される化合物とポリマーバインダーを含有することを特徴とする非発光性有機半導体デバイス用塗布溶液。
[21] [9]〜[16]のいずれか一項に記載の一般式(1)で表される化合物を含有することを特徴とする非発光性有機半導体デバイス用有機半導体薄膜。
[22] [9]〜[16]のいずれか一項に記載の一般式(1)で表される化合物とポリマーバインダーを含有することを特徴とする非発光性有機半導体デバイス用有機半導体薄膜。
[23] [21]または[22]に記載の非発光性有機半導体デバイス用有機半導体薄膜は、溶液塗布法により作製されたことが好ましい。
本発明において、各一般式の説明において特に区別されずに用いられている場合における水素原子は同位体(重水素原子等)も含んでいることを表す。さらに、置換基を構成する原子は、その同位体も含んでいることを表す。
本発明の有機薄膜トランジスタは、下記一般式(1)で表される化合物を半導体活性層に含むことを特徴とする。
−L−R 一般式(W)
(一般式(W)において、Lは下記一般式(L−1)〜(L−12)のいずれかで表される2価の連結基または2以上の下記一般式(L−1)〜(L−12)のいずれかで表される2価の連結基が結合した2価の連結基を表し、Rは炭素数2以上の置換または無置換のアルキル基、オキシエチレン単位の繰り返し数が2以上のオリゴオキシエチレン基またはケイ素原子数が2以上のオリゴシロキサン基を表す。)
前記一般式(1)で表される化合物は、R1〜R8のうち少なくとも1つが前記一般式(W)で表される置換基を有するため、材料の溶液プロセス適性および膜中での分子配列の観点で好ましい。これにより有機薄膜トランジスタに適用できる有機薄膜の製造効率を上げ、製造コストを抑制することができる。また、キャリア移動度をはじめとするキャリア輸送特性や薄膜の化学的、物理的安定性も向上する。これにより、キャリア移動度が高い有機薄膜トランジスタを得ることができる。
一方、繰り返し駆動後の閾値電圧変化が小さいためには、有機半導体材料の化学的安定性(特に耐空気酸化性、酸化還元安定性)、薄膜状態の熱安定性、空気や水分が入りこみにくい高い膜密度、電荷がたまりにくい欠陥の少ない膜質、等が必要である。前記一般式(1)で表される化合物はこれらを満足するため、繰り返し駆動後の閾値電圧変化が小さいと考えられる。すなわち、繰り返し駆動後の閾値電圧変化が小さい本発明の有機薄膜トランジスタは、半導体活性層が高い化学的安定性や膜密度等を有し、長期間に渡ってトランジスタとして有効に機能し得る。
以下、本発明の化合物や本発明の有機薄膜トランジスタなどの好ましい態様を説明する。
本発明の化合物は、下記一般式(1)で表されることを特徴とする。本発明の化合物は、本発明の有機薄膜トランジスタにおいて、後述の半導体活性層に含まれる。すなわち、本発明の化合物は、有機薄膜トランジスタ用材料として用いることができる。
−L−R 一般式(W)
(一般式(W)において、Lは下記一般式(L−1)〜(L−12)のいずれかで表される2価の連結基または2以上の下記一般式(L−1)〜(L−12)のいずれかで表される2価の連結基が結合した2価の連結基を表し、Rは炭素数2以上の置換または無置換のアルキル基、オキシエチレン単位の繰り返し数が2以上のオリゴオキシエチレン基またはケイ素原子数が2以上のオリゴシロキサン基を表す。)
一般式(1)において、Zは水素原子、炭素数2以下の置換または無置換のアルキル基、炭素数2以下の置換または無置換のアルキニル基、炭素数2以下の置換または無置換のアルケニル基、炭素数2以下の置換または無置換のアシル基であることが好ましく、水素原子、炭素数2以下の置換または無置換のアルキル基であることがより好ましく、水素原子であることが特に好ましい。
Zが炭素数2以下の置換アルキル基を表す場合、該アルキル基がとり得る置換基としては、シアノ基、フッ素原子、重水素原子などを挙げることができ、シアノ基が好ましい。Zが表す置換アルキル基の炭素数は1であることが好ましい。Zが表す炭素数2以下の置換または無置換のアルキル基としては、メチル基、エチル基、シアノ基置換のメチル基が好ましく、メチル基またはシアノ基置換のメチル基がより好ましく、シアノ基置換のメチル基が特に好ましい。
Zが炭素数2以下の置換アルキニル基を表す場合、該アルキニル基がとり得る置換基としては、重水素原子などを挙げることができる。Zが表す炭素数2以下の置換または無置換のアルキニル基としては、エチニル基、重水素原子置換のアセチレン基を挙げることができ、エチニルが好ましい。
Zが炭素数2以下の置換アルケニル基を表す場合、該アルケニル基がとり得る置換基としては、重水素原子などを挙げることができる。Zが表す炭素数2以下の置換または無置換のアルケニル基としては、エテニル基、重水素原子置換のエテニル基を挙げることができ、エテニルが好ましい。
Zが炭素数2以下の置換アシル基を表す場合、該アシル基がとり得る置換基としては、フッ素原子などを挙げることができる。Zが表す炭素数2以下の置換または無置換のアシル基としては、ホルミル基、アセチル基、フッ素置換のアセチル基を挙げることができ、ホルミル基が好ましい。
前記一般式(1)のR1〜R8が採りうる置換基として、ハロゲン原子、アルキル基(シクロアルキル基、ビシクロアルキル基、トリシクロアルキル基を含む)、アルケニル基(シクロアルケニル基、ビシクロアルケニル基を含む)、アルキニル基、アリール基、複素環基(ヘテロ環基といってもよい)、シアノ基、ヒドロキシ基、ニトロ基、カルボキシ基、アルコキシ基、アリールオキシ基、シリルオキシ基、ヘテロ環オキシ基、アシルオキシ基、カルバモイルオキシ基、アルコキシカルボニルオキシ基、アリールオキシカルボニルオキシ基、アミノ基(アニリノ基を含む)、アンモニオ基、アシルアミノ基、アミノカルボニルアミノ基、アルコキシカルボニルアミノ基、アリールオキシカルボニルアミノ基、スルファモイルアミノ基、アルキルおよびアリールスルホニルアミノ基、メルカプト基、アルキルチオ基、アリールチオ基、ヘテロ環チオ基、スルファモイル基、スルホ基、アルキルおよびアリールスルフィニル基、アルキルおよびアリールスルホニル基、アシル基、アリールオキシカルボニル基、アルコキシカルボニル基、カルバモイル基、アリールおよびヘテロ環アゾ基、イミド基、ホスフィノ基、ホスフィニル基、ホスフィニルオキシ基、ホスフィニルアミノ基、ホスホノ基、シリル基、ヒドラジノ基、ウレイド基、ボロン酸基(−B(OH)2)、ホスファト基(−OPO(OH)2)、スルファト基(−OSO3H)、その他の公知の置換基が挙げられる。
これらの中でもハロゲン原子、アルキル基およびアリール基が好ましく、フッ素原子、炭素数1〜3のアルキル基、フェニル基がより好ましく、炭素数1〜3のアルキル基が特に好ましい。
前記一般式(1)で表される化合物中において、R1〜R8のうち、前記一般式(W)で表される置換基以外のその他の置換基の個数は0〜4であることが好ましく、0〜2であることがより好ましく、0であることが特に好ましい。
特に、上記の一般式(L−10)〜(L−12)においては、*とRの間にさらに一般式(L−1)〜(L−12)のいずれかが挿入されて、前記Lが一般式(L−1)〜(L−12)のいずれかで表される2価の連結基が結合した連結基を形成することも好ましい。
一般式(L−1)、(L−2)、(L−10)、(L−11)および(L−12)中の置換基R’としては、上記の一般式(1)のR1〜R8が採りうる前記その他の置換基として例示したものを挙げることができる。
一般式(L−10)におけるmは4を表し、一般式(L−11)および(L−12)におけるmは2を表す。
前記一般式(1)で表される化合物は、前記一般式(W)で表される基にアルキル基が含まれる場合、Rが表すアルキル基が上記範囲の下限値以上であるとキャリア移動度が高くなる。また、LがRに隣接する一般式(L−1)を含む場合は、一般式(L−1)で表されるアルキレン基およびRで表されるアルキル基が結合して形成されるアルキル基の炭素数が上記範囲の下限値以上であるとキャリア移動度が高くなる。
Rが採りうるアルキル基は、直鎖、分岐、環状のいずれであってもよく、直鎖アルキル基であることがキャリア移動度を高める観点から好ましく、炭素数3〜12の直鎖アルキル基であることがより好ましく、炭素数4〜10の直鎖アルキル基であることが特に好ましい。Rが置換基を有するアルキル基である場合の該置換基としては、ハロゲン原子などを挙げることができ、フッ素原子が好ましい。なお、Rがフッ素原子を有するアルキル基である場合は該アルキル基の水素原子が全てフッ素原子で置換されてパーフルオロアルキル基を形成してもよい。
前記一般式(1)における置換位置として、これらの位置が好ましいのは、化合物の化学的安定性に優れ、HOMO準位、分子の膜中でのパッキングの観点からも好適であるためであると考えられる。特に、前記一般式(1)において、R2またはR3のいずれか、およびR6またはR7のいずれかの2箇所を置換基とすることにより、高いキャリア濃度を得ることができる。
前記一般式(2−1)において、LaおよびLbはそれぞれ独立に前記一般式(L−1)〜(L−12)のいずれかで表される2価の連結基または2以上の前記一般式(L−1)〜(L−12)のいずれかで表される2価の連結基が結合した2価の連結基を表す。LaおよびLbの好ましい範囲は、前記一般式(W)におけるLの好ましい範囲と同様である。また、LaおよびLbは互いに同一であることが好ましい。ただし、一般式(2−1)および一般式(2−2)における一般式(L−1)〜(L−12)において、*はそれぞれ独立に一般式(L−1)〜(L−12)に隣接するRa、Rb、RcおよびRdのいずれかとの結合位置を示す。
前記一般式(2−1)において、RaおよびRbはそれぞれ独立に炭素数2以上の置換または無置換のアルキル基、オキシエチレン単位の繰り返し数が2以上のオリゴオキシエチレン基またはケイ素原子数が2以上のオリゴシロキサン基を表す。RaおよびRbの好ましい範囲は、前記一般式(W)におけるRの好ましい範囲と同様である。また、RaおよびRbは互いに同一であることが好ましい。
前記一般式(2−2)において、LcおよびLdはそれぞれ独立に前記一般式(L−1)〜(L−12)のいずれかで表される2価の連結基または2以上の前記一般式(L−1)〜(L−12)のいずれかで表される2価の連結基が結合した2価の連結基を表す。LcおよびLdの好ましい範囲は、前記一般式(W)におけるLの好ましい範囲と同様である。また、LcおよびLdは互いに同一であることが好ましい。
前記一般式(2−2)において、RcおよびRdはそれぞれ独立に炭素数2以上の置換または無置換のアルキル基、オキシエチレン単位の繰り返し数が2以上のオキシエチレン基またはケイ素原子数が2以上のオリゴシロキサン基を表す。RcおよびRdの好ましい範囲は、前記一般式(W)におけるRの好ましい範囲と同様である。また、RcおよびRdは互いに同一であることが好ましい。
前記一般式(2−1)または(2−2)において、La、Lb、LcおよびLdが全て(L−1)〜(L−4)、(L−6)、(L−7)、(L−9)、(L−10)、(L−11)または(L−12)のいずれかであることが好ましく、化学的安定性、キャリア輸送性の観点から一般式(L−1)〜(L−3)、(L−10)、(L−11)または(L−12)のいずれかであることがより好ましく、一般式(L−1)、(L−3)または(L−10)であることが特に好ましく、一般式(L−1)または(L−10)であることがより特に好ましく、一般式(L−1)であることがよりさらに特に好ましい。
一方で、薄膜の膜質安定性の観点からは、分子量は400以上であることが好ましく、450以上であることがより好ましく、500以上であることがさらに好ましい。
本発明の化合物のジベンゾカルバゾール環形成反応において、いかなる反応条件を用いてもよい。反応溶媒としては、いかなる溶媒を用いてもよい。また、環形成反応促進のために、酸または塩基を用いることが好ましく、特に塩基を用いることが好ましい。最適な反応条件は、目的とするジベンゾカルバゾール誘導体の構造により異なるが、上記の文献に記載された具体的な反応条件を参考に設定することができる。
本発明の有機薄膜トランジスタは、前記一般式(1)で表される化合物を含む半導体活性層を有する。
本発明の有機薄膜トランジスタは、さらに前記半導体活性層以外にその他の層を含んでいてもよい。
本発明の有機薄膜トランジスタは、有機電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor、FET)として用いられることが好ましく、ゲート−チャンネル間が絶縁されている絶縁ゲート型FETとして用いられることがより好ましい。
以下、本発明の有機薄膜トランジスタの好ましい構造の態様について、図面を用いて詳しく説明するが、本発明はこれらの態様に限定されるものではない。
有機電界効果トランジスタの積層構造としては特に制限はなく、公知の様々な構造のものとすることができる。
本発明の有機薄膜トランジスタの構造の一例としては、最下層の基板の上面に、電極、絶縁体層、半導体活性層(有機半導体層)、2つの電極を順に配置した構造(ボトムゲート・トップコンタクト型)を挙げることができる。この構造では、最下層の基板の上面の電極は基板の一部に設けられ、絶縁体層は、電極以外の部分で基板と接するように配置される。また、半導体活性層の上面に設けられる2つの電極は、互いに隔離して配置される。
ボトムゲート・トップコンタクト型素子の構成を図1に示す。図1は、本発明の有機薄膜トランジスタの一例の構造の断面を示す概略図である。図1の有機薄膜トランジスタは、最下層に基板11を配置し、その上面の一部に電極12を設け、さらに該電極12を覆い、かつ電極12以外の部分で基板11と接するように絶縁体層13を設けている。さらに絶縁体層13の上面に半導体活性層14を設け、その上面の一部に2つの電極15aと15bとを隔離して配置している。
図1に示した有機薄膜トランジスタは、電極12がゲートであり、電極15aと電極15bはそれぞれドレインまたはソースである。また、図1に示した有機薄膜トランジスタは、ドレイン−ソース間の電流通路であるチャンネルと、ゲートとの間が絶縁されている絶縁ゲート型FETである。
ボトムゲート・ボトムコンタクト型素子の構成を図2に示す。図2は本発明の実施例でFET特性測定用基板として製造した有機薄膜トランジスタの構造の断面を示す概略図である。図2の有機薄膜トランジスタは、最下層に基板31を配置し、その上面の一部に電極32を設け、さらに該電極32を覆い、かつ電極32以外の部分で基板31と接するように絶縁体層33を設けている。さらに絶縁体層33の上面に半導体活性層35を設け、電極34aと34bが半導体活性層35の下部にある。
図2に示した有機薄膜トランジスタは、電極32がゲートであり、電極34aと電極34bはそれぞれドレインまたはソースである。また、図2に示した有機薄膜トランジスタは、ドレイン−ソース間の電流通路であるチャンネルと、ゲートとの間が絶縁されている絶縁ゲート型FETである。
本発明の有機薄膜トランジスタは、より薄いトランジスタとする必要がある場合には、例えばトランジスタ全体の厚さを0.1〜0.5μmとすることが好ましい。
有機薄膜トランジスタ素子を大気や水分から遮断し、有機薄膜トランジスタ素子の保存性を高めるために、有機薄膜トランジスタ素子全体を金属の封止缶やガラス、窒化ケイ素などの無機材料、パリレンなどの高分子材料や、低分子材料などで封止してもよい。
以下、本発明の有機薄膜トランジスタの各層の好ましい態様について説明するが、本発明はこれらの態様に限定されるものではない。
(材料)
本発明の有機薄膜トランジスタは、基板を含むことが好ましい。
前記基板の材料としては特に制限はなく、公知の材料を用いることができ、例えば、ポリエチレンナフトエート(PEN)、ポリエチレンテレフタレート(PET)などのポリエステルフィルム、シクロオレフィンポリマーフィルム、ポリカーボネートフィルム、トリアセチルセルロース(TAC)フィルム、ポリイミドフィルム、およびこれらポリマーフィルムを極薄ガラスに貼り合わせたもの、セラミック、シリコン、石英、ガラス、などを挙げることができ、シリコンが好ましい。
(材料)
本発明の有機薄膜トランジスタは、電極を含むことが好ましい。
前記電極の構成材料としては、例えば、Cr、Al、Ta、Mo、Nb、Cu、Ag、Au、Pt、Pd、In、NiあるいはNdなどの金属材料やこれらの合金材料、あるいはカーボン材料、導電性高分子などの既知の導電性材料であれば特に制限することなく使用できる。
電極の厚さは特に制限はないが、10〜50nmとすることが好ましい。
ゲート幅(またはチャンネル幅)Wとゲート長(またはチャンネル長)Lに特に制限はないが、これらの比W/Lが10以上であることが好ましく、20以上であることがより好ましい。
(材料)
絶縁層を構成する材料は必要な絶縁効果が得られれば特に制限はないが、例えば、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、PTFE、CYTOP等のフッ素ポリマー系絶縁材料、ポリエステル絶縁材料、ポリカーボネート絶縁材料、アクリルポリマー系絶縁材料、エポキシ樹脂系絶縁材料、ポリイミド絶縁材料、ポリビニルフェノール樹脂系絶縁材料、ポリパラキシリレン樹脂系絶縁材料などが挙げられる。
絶縁層の上面は表面処理がなされていてもよく、例えば、二酸化ケイ素表面をヘキサメチルジシラザン(HMDS)やオクタデシルトリクロロシラン(OTS)の塗布により表面処理した絶縁層を好ましく用いることができる。
絶縁層の厚さに特に制限はないが、薄膜化が求められる場合は厚さを10〜400nmとすることが好ましく、20〜200nmとすることがより好ましく、50〜200nmとすることが特に好ましい。
(材料)
本発明の有機薄膜トランジスタは、前記半導体活性層が前記一般式(1)で表される化合物、すなわち本発明の化合物を含むことを特徴とする。
前記半導体活性層は、本発明の化合物からなる層であってもよく、本発明の化合物に加えて後述のポリマーバインダーがさらに含まれた層であってもよい。また、成膜時の残留溶媒が含まれていてもよい。
前記半導体活性層中における前記ポリマーバインダーの含有量は、特に制限はないが、好ましくは0〜95質量%の範囲内で用いられ、より好ましくは10〜90質量%の範囲内で用いられ、さらに好ましくは20〜80質量%の範囲内で用いられ、特に好ましくは30〜70質量%の範囲内で用いられる。
半導体活性層の厚さに特に制限はないが、薄膜化が求められる場合は厚さを10〜400nmとすることが好ましく、10〜200nmとすることがより好ましく、10〜100nmとすることが特に好ましい。
本発明は、前記一般式(1)で表される化合物、すなわち本発明の化合物を含有する非発光性有機半導体デバイス用有機半導体材料にも関する。
なお、本明細書において、「非発光性有機半導体デバイス」とは、発光することを目的としないデバイスを意味する。非発光性有機半導体デバイスは、薄膜の層構造を有するエレクトロニクス要素を用いた非発光性有機半導体デバイスとすることが好ましい。非発光性有機半導体デバイスには、有機薄膜トランジスタ、有機光電変換素子(光センサ用途の固体撮像素子、エネルギー変換用途の太陽電池等)、ガスセンサ、有機整流素子、有機インバータ、情報記録素子などが包含される。有機光電変換素子は光センサ用途(固体撮像素子)、エネルギー変換用途(太陽電池)のいずれにも用いることができる。好ましくは、有機光電変換素子、有機薄膜トランジスタであり、さらに好ましくは有機薄膜トランジスタである。すなわち、本発明の非発光性有機半導体デバイス用有機半導体材料は、上述のとおり有機薄膜トランジスタ用材料であることが好ましい。
本明細書において、「有機半導体材料」とは、半導体の特性を示す有機材料のことである。無機材料からなる半導体と同様に、正孔をキャリアとして伝導するp型(ホール輸送性)有機半導体と、電子をキャリアとして伝導するn型(電子輸送性)有機半導体がある。
本発明の化合物はp型有機半導体材料、n型の有機半導体材料のどちらとして用いてもよいが、p型として用いることがより好ましい。有機半導体中のキャリアの流れやすさはキャリア移動度μで表される。キャリア移動度μは高い方がよく、1×10-3cm2/Vs以上であることが好ましく、5×10-3cm2/Vs以上であることがより好ましく、1×10-2cm2/Vs以上であることが特に好ましく、1×10-1cm2/Vs以上であることがより特に好ましく、1cm2/Vs以上であることがよりさらに特に好ましい。キャリア移動度μは電界効果トランジスタ(FET)素子を作製したときの特性や飛行時間計測(TOF)法により求めることができる。
(材料)
本発明は、上記一般式(1)で表される化合物、すなわち本発明の化合物を含有する非発光性有機半導体デバイス用有機半導体薄膜にも関する。
本発明の非発光性有機半導体デバイス用有機半導体薄膜は、前記一般式(1)で表される化合物、すなわち本発明の化合物を含有し、ポリマーバインダーを含有しない態様も好ましい。
また、本発明の非発光性有機半導体デバイス用有機半導体薄膜は、前記一般式(1)で表される化合物、すなわち本発明の化合物とポリマーバインダーを含有してもよい。
前記ポリマーバインダーは、単独で使用してもよく、あるいは複数併用してもよい。
また、有機半導体材料と前記ポリマーバインダーとは均一に混合していてもよく、一部または全部が相分離していてもよいが、電荷移動度の観点では、膜中で膜厚方向に有機半導体とバインダーが相分離した構造が、バインダーが有機半導体の電荷移動を妨げず最も好ましい。
薄膜の機械的強度を考慮するとガラス転移温度の高いポリマーバインダーが好ましく、電荷移動度を考慮すると極性基を含まない構造のポリマーバインダーや光伝導性ポリマー、導電性ポリマーが好ましい。
ポリマーバインダーの使用量は、特に制限はないが、本発明の非発光性有機半導体デバイス用有機半導体薄膜中、好ましくは0〜95質量%の範囲内で用いられ、より好ましくは10〜90質量%の範囲内で用いられ、さらに好ましくは20〜80質量%の範囲内で用いられ、特に好ましくは30〜70質量%の範囲内で用いられる。
本発明の化合物を基板上に成膜する方法はいかなる方法でもよい。
成膜の際、基板を加熱または冷却してもよく、基板の温度を変化させることで膜質や膜中での分子のパッキングを制御することが可能である。基板の温度としては特に制限はないが、0℃から200℃の間であることが好ましく、15℃〜100℃の間であることがより好ましく、20℃〜95℃の間であることが特に好ましい。
本発明の化合物を基板上に成膜するとき、真空プロセスあるいは溶液プロセスにより成膜することが可能であり、いずれも好ましい。
本発明の非発光性有機半導体デバイス用有機半導体薄膜は、溶液塗布法により作製されたことが好ましい。また、本発明の非発光性有機半導体デバイス用有機半導体薄膜がポリマーバインダーを含有する場合、層を形成する材料とポリマーバインダーとを適当な溶媒に溶解させ、または分散させて塗布液とし、各種の塗布法により形成されることが好ましい。
以下、溶液プロセスによる成膜に用いることができる、本発明の非発光性有機半導体デバイス用塗布溶液について説明する。
本発明は、前記一般式(1)で表される化合物、すなわち本発明の化合物を含有する非発光性有機半導体デバイス用塗布溶液にも関する。
溶液プロセスを用いて基板上に成膜する場合、層を形成する材料を適当な有機溶媒(例えば、ヘキサン、オクタン、デカン、トルエン、キシレン、メシチレン、エチルベンゼン、デカリン、1−メチルナフタレンなどの炭化水素系溶媒、例えば、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノンなどのケトン系溶媒、例えば、ジクロロメタン、クロロホルム、テトラクロロメタン、ジクロロエタン、トリクロロエタン、テトラクロロエタン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、クロロトルエンなどのハロゲン化炭化水素系溶媒、例えば、酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸アミルなどのエステル系溶媒、例えば、メタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、シクロヘキサノール、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、エチレングリコールなどのアルコール系溶媒、例えば、ジブチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジオキサン、アニソールなどのエーテル系溶媒、例えば、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、1−メチルー2−ピロリドン、1−メチルー2−イミダゾリジノン等のアミド・イミド系溶媒、ジメチルスルフォキサイドなどのスルホキシド系溶媒、アセトニトリルなどのニトリル系溶媒)および/または水に溶解、または分散させて塗布液とし、各種の塗布法により薄膜を形成することができる。溶媒は単独で用いてもよく、複数組み合わせて用いてもよい。これらの中でも、炭化水素系溶媒、ハロゲン化炭化水素系溶媒またはエーテル系溶媒が好ましく、トルエン、キシレン、メシチレン、テトラリン、ジクロロベンゼンまたはアニソールがより好ましく、トルエン、キシレン、テトラリン、アニソールが特に好ましい。その塗布液中の一般式(1)で表される化合物の濃度は、好ましくは、0.1〜80質量%、より好ましくは0.1〜10質量%、特に好ましくは0.5〜10重量%とすることにより、任意の厚さの膜を形成できる。
また、本発明の非発光性有機半導体デバイス用塗布溶液は、前記一般式(1)で表される化合物、すなわち本発明の化合物とポリマーバインダーを含有してもよい。この場合、層を形成する材料とポリマーバインダーとを前述の適当な溶媒に溶解させ、または分散させて塗布液とし、各種の塗布法により薄膜を形成することができる。ポリマーバインダーとしては、上述したものから選択することができる。
<合成例1> 化合物5の合成
以下のスキームに示した具体的合成手順にしたがって、一般式(1)で表される化合物である、化合物5を合成した。なお、下記スキーム中、Tfはトリフルオロメタンスルホニル基(トリフリル基)を表す。
3,4−ジヒドロ−6−メトキシナフタレン−1(2H)−オン(25g)(和光純薬製)、ヒドラジン1水和物(4.8g)のエタノール溶液(120ml)に、濃塩酸0.5mlを加え、加熱還流下4時間撹拌した。析出した固体を濾取し、エタノールで洗浄後、減圧下で乾燥することにより、化合物5a(18.6g)を得た。
HCl含有酢酸(60ml)(ALDRICH社製)、無水酢酸(6ml)を、窒素雰囲気下60℃にて2時間攪拌後、化合物5a(15g)を添加し、120℃にて2日間攪拌した。反応液を酢酸エチル/水=1/1に注加し、分液操作をおこなった。有機層を食塩水で洗浄し、硫酸マグネシウムで乾燥した後、減圧にて濃縮した。濃縮残さをシリカゲルカラムクロマト精製することにより、化合物5b(7.8g)を得た。
化合物5b(7.0g)、10%Pd/C(15g)のトリグライム溶液(500ml)を190℃にて4時間攪拌した。反応液をセライト濾過し、得られた濾液をトルエン/水=1/1に注加し、分液操作をおこなった。有機層を水で洗浄し、硫酸マグネシウムで乾燥した後、減圧にて濃縮した。濃縮残渣を酢酸エチル/ヘキサンにて再結晶をおこない、化合物5c(4.3g)を得た。
化合物5c(2.1g)のクロロホルム溶液(62ml)に、氷冷下1MのBBr3塩化メチレン溶液を滴下し、加熱環流下で2時間攪拌した。反応液を水に注加し、酢酸エチルを加え、分液操作をおこなった。有機層を食塩水で洗浄し、硫酸マグネシウムで乾燥した後、減圧にて濃縮することで、化合物5d(1.5g)を得た。
化合物5d(1.3g)の脱水ピリジン溶液(27ml)に、氷冷下無水トリフルオロメタンスルホン酸(2.2ml)を滴下し、窒素雰囲気下、室温で1.5時間攪拌した。反応液を1N塩酸水/酢酸エチル=1/1に注加し、分液操作をおこなった。有機層を食塩水で洗浄し、硫酸マグネシウムで乾燥した後、減圧にて濃縮した。濃縮残渣をシリカゲルカラムクロマト精製することにより、化合物5e(2.4g)を得た。
化合物5e(1.5g)、1−オクチン(2.3g)、PdCl2(PPh3)2(0.37g)、ヨウ化銅(0.21g)のピペリジン溶液(25ml)を、窒素雰囲気下、100℃にて2時間攪拌した。反応液を1N塩酸水/酢酸エチル=1/1に注加し、分液操作をおこなった。有機層を食塩水で洗浄し、硫酸マグネシウムで乾燥した後、減圧にて濃縮した。濃縮残渣をシリカゲルカラムクロマト精製することにより、化合物5f(1.2g)を得た。化合物5fの構造は1H−NMRにより同定した。なお、化合物5fは、本発明の化合物13に相当する。
1H NMR (CDCl3): 8.17(d, 2H), 8.15(d, 2H), 8.09(s, 2H), 7.63(dd, 4H), 2.49(4H, t), 1.67(4H, m), 1.51(4H, m), 1.40−1.27(12H, m), 0.90(6H, t)
化合物5f(1.0g)のイソプロピルアルコール溶液に、10%Pd/C(0.1g)を加え、オートクレーブ中で水素圧5kPa、50℃で2時間攪拌した。反応液をセライト濾過し、濾液を減圧にて濃縮した。濃縮残渣をシリカゲルカラムクロマト精製することにより、化合物5(0.9g)を得た。なお、得られた化合物の同定は元素分析、NMR及びMASSスペクトルによりおこなった。
化合物11の構造を1H−NMRにより同定した結果を以下に示す。
1H NMR (CDCl3): 8.17(d, 2H), 8.15(d, 2H), 8.09(s, 2H), 7.63(dd, 4H), 2.49(4H, t), 1.67(4H, m), 1.51(4H, m), 1.15 (6H, t)
化合物47の構造を1H−NMRにより同定した結果を図3および以下に示す。
1H NMR (CDCl3): 8.17(d, 2H), 8.15(d, 2H), 8.09(s, 2H), 7.63(dd, 4H), 2.49(4H, t), 1.67(4H, m), 1.51(4H, m), 1.40−1.27(24H, m), 0.90(6H, t)
素子作製に用いた材料は全て昇華精製を行い、高速液体クロマトグラフィー(東ソーTSKgel ODS−100Z)により純度(254nmの吸収強度面積比)が99.5%以上であることを確認した。
<化合物単独で半導体活性層(有機半導体層)を形成>
本発明の化合物または比較化合物(各1mg)とトルエン(1mL)を混合し、100℃に加熱したものを、非発光性有機半導体デバイス用塗布溶液とした。この塗布溶液を窒素雰囲気下、90℃に加熱したFET特性測定用基板上にキャストすることで、非発光性有機半導体デバイス用有機半導体薄膜を形成し、FET特性測定用の実施例1の有機薄膜トランジスタ素子を得た。FET特性測定用基板としては、ソースおよびドレイン電極としてくし型に配置されたクロム/金(ゲート幅W=100mm、ゲート長L=100μm)、絶縁膜としてSiO2(膜厚200nm)を備えたボトムゲート・ボトムコンタクト構造のシリコン基板(図2に構造の概略図を示した)を用いた。
実施例2の有機薄膜トランジスタ素子のFET特性は、セミオートプローバー(ベクターセミコン製、AX−2000)を接続した半導体パラメーターアナライザー(Agilent製、4156C)を用いて常圧・窒素雰囲気下で、キャリア移動度、繰り返し駆動後の閾値電圧変化の観点で評価した。
得られた結果を下記表1に示す。
各有機薄膜トランジスタ素子(FET素子)のソース電極−ドレイン電極間に−80Vの電圧を印加し、ゲート電圧を20V〜−100Vの範囲で変化させ、ドレイン電流Idを表わす式Id=(w/2L)μCi(Vg−Vth)2(式中、Lはゲート長、Wはゲート幅、Ciは絶縁層の単位面積当たりの容量、Vgはゲート電圧、Vthは閾値電圧)を用いてキャリア移動度μを算出した。なお、キャリア移動度が1×10-5cm2/Vsを下回るものに関しては特性が低過ぎるため、後の(b)繰り返し駆動後の閾値電圧変化の評価は行っていない。
各有機薄膜トランジスタ素子(FET素子)のソース電極−ドレイン電極間に−80Vの電圧を印加し、ゲート電圧を+20V〜−100Vの範囲で100回繰り返して(a)と同様の測定を行い、繰り返し駆動前の閾値電圧V前と繰り返し駆動後の閾値電圧V後の差(|V後−V前|)を以下の3段階で評価した。この値は小さいほど素子の繰り返し駆動安定性が高く、好ましい。
A:|V後−V前|≦5V
B:5V<|V後−V前|≦10V
C:|V後−V前|>10V
置換基Zの分子長とはジベンゾカルバゾール構造のカルバゾールのN−Z結合におけるN原子から置換基Zの末端までの長さのことを指す。構造最適化計算は、密度汎関数法(Gaussian03(米ガウシアン社)/基底関数:6−31G*、交換相関汎関数:B3LYP/LANL2DZ)を用いて行った。
一方、比較化合物2〜5を用いた有機薄膜トランジスタ素子は、キャリア移動度が低いものであった。比較化合物1、3を用いた有機薄膜トランジスタ素子は、繰り返し駆動後の閾値電圧変化が大きいものであった。
<化合物をバインダーとともに用いて半導体活性層(有機半導体層)を形成>
本発明の化合物または比較化合物(各1mg)、PαMS(ポリ(α−メチルスチレン、Mw=300,000)、Aldrich製)1mg、トルエン(1mL)を混合し、100℃に加熱したものを塗布溶液として用いる以外は実施例2と同様にしてFET特性測定用の有機薄膜トランジスタ素子を作製し、実施例2と同様の評価を行った。
得られた結果を下記表2に示す。
一方、比較化合物1〜5をバインダーとともに用いて半導体活性層を形成した有機薄膜トランジスタ素子は、キャリア移動度が低いものであった。比較化合物1、3をバインダーとともに用いて半導体活性層を形成した有機薄膜トランジスタ素子は、繰り返し駆動後の閾値電圧変化が大きいものであった。
<半導体活性層(有機半導体層)形成>
ゲート絶縁膜としてSiO2(膜厚370nm)を備えたシリコンウエハーを用い、オクチルトリクロロシランで表面処理を行った。
本発明の化合物または比較化合物(各1mg)とトルエン(1mL)を混合し、100℃に加熱したものを、非発光性有機半導体デバイス用塗布溶液とした。この塗布溶液を窒素雰囲気下、90℃に加熱したオクチルシラン表面処理シリコンウエハー上にキャストすることで、非発光性有機半導体デバイス用有機半導体薄膜を形成した。
更にこの薄膜表面にマスクを用いて金を蒸着することで、ソースおよびドレイン電極を作製し、ゲート幅W=5mm、ゲート長L=80μmのボトムゲート・トップコンタクト構造の有機薄膜トランジスタ素子を得た(図1に構造の概略図を示した)。
実施例4の有機薄膜トランジスタ素子のFET特性は、セミオートプローバー(ベクターセミコン製、AX−2000)を接続した半導体パラメーターアナライザー(Agilent製、4156C)を用いて常圧・窒素雰囲気下で、キャリア移動度、繰り返し駆動後の閾値電圧変化の観点で評価した。
得られた結果を下記表3に示す。
一方、比較化合物2、4、5を用いた有機薄膜トランジスタ素子は、キャリア移動度が低いものであった。比較化合物1、3を用いた有機薄膜トランジスタ素子は、繰り返し駆動後の閾値電圧変化が大きいものであった。
12 電極
13 絶縁体層
14 半導体活性層(有機物層、有機半導体層)
15a、15b 電極
31 基板
32 電極
33 絶縁体層
34a、34b 電極
35 半導体活性層(有機物層、有機半導体層)
Claims (21)
- 下記一般式(1)で表される化合物を半導体活性層に含むことを特徴とする有機薄膜トランジスタ。
−L−R 一般式(W)
(一般式(W)において、Lは下記一般式(L−1)〜(L−4)、(L−10)および(L−12)のいずれかで表される2価の連結基または2以上の下記一般式(L−1)〜(L−4)、(L−10)および(L−12)のいずれかで表される2価の連結基が結合した2価の連結基を表し、Rは炭素数2以上の置換または無置換のアルキル基、オキシエチレン単位の繰り返し数が2以上のオリゴオキシエチレン基を表す。)
- 前記R2、R3、R6およびR7のうち少なくとも1つが前記一般式(W)で表される置換基であることを特徴とする請求項1に記載の有機薄膜トランジスタ。
- 前記一般式(1)で表される化合物が、下記一般式(2−1)または(2−2)で表される化合物であることを特徴とする請求項1に記載の有機薄膜トランジスタ。
- 前記一般式(2−1)または(2−2)において、La、Lb、LcおよびLdが全て前記一般式(L−1)〜(L−3)、(L−10)もしくは(L−12)のいずれかで表される2価の連結基またはこれらの2価の連結基が2以上結合した2価の連結基であることを特徴とする請求項3に記載の有機薄膜トランジスタ。
- 前記一般式(2−1)または(2−2)において、La、Lb、LcおよびLdが全て前記一般式(L−1)または(L−10)のいずれかで表される2価の連結基であることを特徴とする請求項3に記載の有機薄膜トランジスタ。
- 前記一般式(2−1)または(2−2)において、Ra、Rb、RcおよびRdが全て炭素数2以上のアルキル基であることを特徴とする請求項3〜5のいずれか一項に記載の有機薄膜トランジスタ。
- 前記一般式(2−1)または(2−2)において、Ra、Rb、RcおよびRdが全て炭素数3〜12の直鎖アルキル基であることを特徴とする請求項3〜5のいずれか一項に記載の有機薄膜トランジスタ。
- 下記一般式(1)で表されることを特徴とする化合物。
−L−R 一般式(W)
(一般式(W)において、Lは下記一般式(L−1)〜(L−4)、(L−10)および(L−12)のいずれかで表される2価の連結基または2以上の下記一般式(L−1)〜(L−4)、(L−10)および(L−12)のいずれかで表される2価の連結基が結合した2価の連結基を表し、Rは炭素数2以上の置換または無置換のアルキル基、オキシエチレン単位の繰り返し数が2以上のオリゴオキシエチレン基を表す。)
- 前記R2、R3、R6およびR7のうち少なくとも1つが前記一般式(W)で表される置換基であることを特徴とする請求項8に記載の化合物。
- 前記一般式(1)で表される化合物が、下記一般式(2−1)または(2−2)で表される化合物であることを特徴とする請求項8に記載の化合物。
- 前記一般式(2−1)または(2−2)において、La、Lb、LcおよびLdが全て前記一般式(L−1)〜(L−3)、(L−10)もしくは(L−12)のいずれかで表される2価の連結基またはこれらの2価の連結基が2以上結合した2価の連結基であることを特徴とする請求項10に記載の化合物。
- 前記一般式(2−1)または(2−2)において、La、Lb、LcおよびLdが全て前記一般式(L−1)または(L−10)のいずれかで表される2価の連結基であることを特徴とする請求項10に記載の化合物。
- 前記一般式(2−1)または(2−2)において、Ra、Rb、RcおよびRdが全て炭素数2以上のアルキル基であることを特徴とする請求項10〜12のいずれか一項に記載の化合物。
- 前記一般式(2−1)または(2−2)において、Ra、Rb、RcおよびRdが全て炭素数3〜12の直鎖アルキル基であることを特徴とする請求項10〜12のいずれか一項に記載の化合物。
- 請求項8〜14のいずれか一項に記載の前記一般式(1)で表される化合物を含有することを特徴とする非発光性有機半導体デバイス用有機半導体材料。
- 請求項8〜14のいずれか一項に記載の前記一般式(1)で表される化合物を含有することを特徴とする有機薄膜トランジスタ用材料。
- 請求項8〜14のいずれか一項に記載の前記一般式(1)で表される化合物を含有することを特徴とする非発光性有機半導体デバイス用塗布溶液。
- 請求項8〜14のいずれか一項に記載の前記一般式(1)で表される化合物とポリマーバインダーを含有することを特徴とする非発光性有機半導体デバイス用塗布溶液。
- 請求項8〜14のいずれか一項に記載の前記一般式(1)で表される化合物を含有することを特徴とする非発光性有機半導体デバイス用有機半導体薄膜。
- 請求項8〜14のいずれか一項に記載の前記一般式(1)で表される化合物とポリマーバインダーを含有することを特徴とする非発光性有機半導体デバイス用有機半導体薄膜。
- 溶液塗布法により作製されたことを特徴とする請求項19または20に記載の非発光性有機半導体デバイス用有機半導体薄膜の製造方法。
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